Chào các em, hôm nay cô trò mình sẽ cùng nhau đi sâu vào tìm hiểu về một axit rất quen thuộc trong chương trình Hóa học lớp 11, đó là Axit nitric (HNO3). Chúng ta sẽ cùng phân tích vì sao HNO3 lại có tính oxi hóa mạnh và tính axit mạnh nhé.

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần xem xét cấu tạo phân tử và các đặc điểm hóa học của HNO3.

1. Tính oxi hóa mạnh của HNO3

Trước tiên, chúng ta cần hiểu rõ thế nào là tính oxi hóa. Tính oxi hóa thể hiện khả năng nhận electron của một chất. Chất nào có khả năng nhận electron càng mạnh thì tính oxi hóa càng cao.

Trong phân tử HNO3, nguyên tố có số oxi hóa cao nhất là Nitơ (N), có số oxi hóa +5.

Cấu hình electron của nguyên tử Nitơ (Z=7) là: 1s²2s²2p³.

Trong hợp chất HNO3, nguyên tử Nitơ có số oxi hóa +5. Đây là số oxi hóa cao nhất của Nitơ. Khi ở số oxi hóa cao nhất, nguyên tố có xu hướng nhận electron để giảm số oxi hóa xuống các trạng thái bền hơn.

Để minh họa cho điều này, chúng ta cùng xem xét phản ứng của HNO3 với một số kim loại.

a) Phản ứng với kim loại

Khi HNO3 tác dụng với các kim loại, nó sẽ oxi hóa kim loại (số oxi hóa tăng lên) và bản thân nó bị khử (số oxi hóa của N giảm xuống). Mức độ giảm số oxi hóa của N phụ thuộc vào nồng độ của HNO3 và tính khử của kim loại.

* Với HNO3 loãng:
Khi HNO3 loãng tác dụng với hầu hết các kim loại (trừ Au và Pt), sản phẩm khử của Nitơ thường là khí NO.
Ví dụ: Phản ứng của đồng (Cu) với HNO3 loãng.
Ta có phản ứng:
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

Trong phản ứng này:
– Số oxi hóa của Cu tăng từ 0 lên +2 (Cu bị oxi hóa).
– Số oxi hóa của N trong HNO3 là +5, giảm xuống +2 trong NO (N bị khử).

Ngoài ra, nếu HNO3 loãng tác dụng với các kim loại có tính khử mạnh hơn như Mg, Al, Zn, sản phẩm khử của N có thể là N2O, N2, NH4NO3, tùy thuộc vào điều kiện phản ứng.
Ví dụ:
4Zn + 10HNO3 (loãng) → 4Zn(NO3)2 + N2O↑ + 5H2O

8Al + 30HNO3 (loãng) → 8Al(NO3)3 + 3N2↑ + 15H2O

4Zn + 10HNO3 (loãng, nóng) → 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O (Ví dụ này cho thấy tùy điều kiện và kim loại, sản phẩm khử của N có thể khác nhau, nhưng nhầm lẫn ở ví dụ trước, ta sẽ sửa lại như sau)
(Sửa lại): 4Zn + 10HNO3 (loãng) → 4Zn(NO3)2 + N2O↑ + 5H2O là đúng.
(Thêm ví dụ về NH4NO3): 4Zn + 10HNO3 (loãng, đặc biệt có thể tạo NH4NO3) -> cần cẩn thận hơn với ví dụ này.
(Tốt nhất là đưa ra ví dụ chung và nói rõ các sản phẩm khả dĩ):
Với HNO3 loãng, sản phẩm khử của N có thể là NO, N2O, N2, NH4NO3.
Ví dụ cho HNO3 loãng tác dụng với kim loại có tính khử mạnh (như Mg):
4Mg + 10HNO3 (loãng) → 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

* Với HNO3 đặc:
Khi HNO3 đặc tác dụng với hầu hết các kim loại, sản phẩm khử của Nitơ thường là khí NO2.
Ví dụ: Phản ứng của đồng (Cu) với HNO3 đặc.
Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O

Trong phản ứng này:
– Số oxi hóa của Cu tăng từ 0 lên +2.
– Số oxi hóa của N trong HNO3 là +5, giảm xuống +4 trong NO2.

Lưu ý: HNO3 đặc nguội không phản ứng với Al, Fe, Cr do các kim loại này bị thụ động hóa bởi lớp màng oxit bền bền vững bảo vệ bề mặt.

b) Phản ứng với phi kim

HNO3 có khả năng oxi hóa một số phi kim lên số oxi hóa cao hơn.
Ví dụ: Phản ứng của cacbon (C) với HNO3 đặc.
C + 4HNO3 (đặc) → CO2↑ + 4NO2↑ + 2H2O

Trong phản ứng này:
– Số oxi hóa của C tăng từ 0 lên +4 (trong CO2).
– Số oxi hóa của N trong HNO3 là +5, giảm xuống +4 trong NO2.

c) Phản ứng với hợp chất

HNO3 còn có thể oxi hóa một số hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ.
Ví dụ:
2FeSO4 + 2HNO3 (đặc) → Fe2(SO4)3 + 2NO2↑ + 2H2O (Fe(II) bị oxi hóa lên Fe(III))

Hoặc phản ứng với H2S:
3H2S + 2HNO3 (loãng) → 3S↓ + 2NO↑ + 4H2O (S trong H2S có số oxi hóa -2, bị oxi hóa lên 0)

Nguyên nhân chính dẫn đến tính oxi hóa mạnh của HNO3 là do:
– Nguyên tử Nitơ trong HNO3 có số oxi hóa +5 là số oxi hóa cao nhất.
– Trong môi trường axit, ion NO3⁻ có khả năng nhận electron dễ dàng.
– Phân tử HNO3 có liên kết cộng hóa trị phân cực mạnh, nguyên tử O có độ âm điện lớn hút electron của nguyên tử N, làm cho nguyên tử N mang một phần điện tích dương, dễ dàng nhận electron từ chất khử.

2. Tính axit mạnh của HNO3

Tính axit của một chất thể hiện khả năng nhường proton (ion H⁺).
Axit nitric (HNO3) là một axit mạnh trong dung dịch nước.

a) Sự phân li trong dung dịch nước

Trong dung dịch nước, HNO3 phân li hoàn toàn thành ion H⁺ và ion NO3⁻.
HNO3 → H⁺ + NO3⁻

Phương trình này cho thấy HNO3 giải phóng ra ion H⁺, là bản chất của tính axit.
Do sự phân li hoàn toàn, nồng độ ion H⁺ trong dung dịch HNO3 sẽ cao, dẫn đến pH thấp và thể hiện tính axit mạnh.

b) Các tính chất của axit mạnh

Là một axit mạnh, HNO3 có đầy đủ các tính chất hóa học của một axit mạnh:

* Tác dụng với dung dịch bazơ:
HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O

Là phản ứng trung hòa axit-bazơ.

* Tác dụng với oxit bazơ:
2HNO3 + CuO → Cu(NO3)2 + H2O

Tạo ra muối nitrat và nước.

* Tác dụng với muối của axit yếu hơn:
2HNO3 + Na2CO3 → 2NaNO3 + CO2↑ + H2O

HNO3 đẩy các axit yếu hơn ra khỏi muối của chúng (ví dụ: H2CO3, H2SO3, HCl…).

* Tác dụng với kim loại (những kim loại đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học):
Ngoài tính oxi hóa mạnh đã đề cập, HNO3 còn thể hiện tính axit khi tác dụng với kim loại.
Ví dụ:
2Al + 6HNO3 (loãng, rất loãng) → 2Al(NO3)3 + 3H2↑

Ở đây, HNO3 vừa đóng vai trò là axit (cho H⁺) vừa đóng vai trò là chất oxi hóa (N+5). Tuy nhiên, khi HNO3 rất loãng, vai trò của chất oxi hóa bị giảm đi, và phản ứng có thể sinh ra khí H2 như với các axit mạnh khác. Tuy nhiên, đây là trường hợp đặc biệt và ít phổ biến. Thông thường, HNO3 sẽ ưu tiên thể hiện tính oxi hóa mạnh.

Nguyên nhân chính dẫn đến tính axit mạnh của HNO3 là do:
– Nguyên tử Hiđrô (H) trong phân tử HNO3 liên kết với nhóm -NO2 mang độ âm điện lớn, làm cho liên kết O-H phân cực mạnh.
– Phân tử HNO3 dễ dàng tách H⁺ để tạo thành ion NO3⁻ bền vững.

Tóm lại:
Tính oxi hóa mạnh của HNO3 là do nguyên tử Nitơ ở số oxi hóa cao nhất (+5) có xu hướng nhận electron.
Tính axit mạnh của HNO3 là do phân tử dễ dàng nhường proton H⁺ trong dung dịch nước, tạo ra nồng độ ion H⁺ cao.

Các em đã nắm rõ chưa nào? Chúng ta sẽ còn gặp lại HNO3 trong nhiều bài tập và thí nghiệm khác nữa.